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Die Erfindung betrifft Bahnspeisegleichrichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1.
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In der Bahnstromversorgung für Nah- und Fernverkehr werden Bahnspeisegleichrichter mit Dioden eingesetzt. Die Diodengleichrichter sind auf der Gleichspannungsseite (DC-Seite) mit einer Schutzbeschaltung (in der Regel RC-Beschaltung, d.h. mit einer Anordnung, die einen Kondensator und einen Widerstand aufweist) und einem Grundlastwiderstand ausgestattet. Die Aufgabe der Schutzbeschaltung besteht darin, die Dioden gegen interne und teilweise auch gegen externe Überspannungen zu schützen.
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Die in der Beschaltung eingesetzten Kondensatoren können sich während der Überspannungsbedämpfung trotzdem auf Werte aufladen, die gemäß der Norm EN 50163 unzulässig sind. Dieses Problem ergibt sich besonders im Leerlauf des Gleichrichters, weil dann eine besonders hohe Spannung am Gleichspannungsausgang anliegt.
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Um die unzulässige Beanspruchung der Bahnstromversorgung zu verhindern, wird ein Grundlastwiderstand parallel zu der RC-Beschaltung eingesetzt, was eine schnelle Entladung der Beschaltungskondensatoren bewirkt und damit signifikant die Ausgangsspannung des Gleichrichters – insbesondere im Leerlauf – reduziert. Es entstehen dabei jedoch elektrische Verluste, die einen wesentlichen Nachteil der bekannten Bahnspeisegleichrichter darstellen. Typischerweise werden bei 750 V Bahnspeisesystemen Grundlastwiderstände mit einem Wert zwischen 1 kOhm und 2 kOhm eingesetzt. Wird beispielsweise von einer Leerlaufspannung von ca. 800 V ausgeht, ergeben sich Verluste von ca. 300 W bis 600 W. Diese Verluste entstehen dabei fast ständig, da über einen Tag betrachtet ein Bahnspeisegleichrichter die meiste Zeit im Leerlauf oder mit einer Schwachlast betrieben wird. Während der Nennbelastung bei 750 V reduzieren sich die Verluste nur geringfügig auf ca. 280 W bis 560 W. Im Lastfall ist die Gleichspannung deutlich niedriger als im Leerlauf. Die Verluste fallen auch im Lastfall an, obwohl die Funktion des Grundlastwiderstandes hier nicht gebraucht wird.
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Aus der „Betriebsanleitung Version 3.0.0, Sitras REC, Diodengleichrichter für DC Bahnstromversorgung“, Kennnummer M0110276029, Stand 24.10.2005, ist ein gattungsgemäßer Bahnspeisegleichrichter zur Stromversorgung von Gleichstrombahnen im Nah- und Fernverkehr bekannt; dabei ist der Diodengleichrichter mit ungesteuerten Drehstrombrückenschaltungen in 6-pulsiger oder 12-pulsiger Ausführung versehen (Betriebsanleitung Seiten 2, 17). In jeden Zweig der Drehstrombrückenschaltung können eine oder mehrere Dioden parallel geschaltet sein. An die Drehstromeingänge des Diodengleichrichters ist eine 3-Phasen-Wechselspannung oder eine 2 × 3-Phasen-Wechselspannung angelegt (Betriebsanleitung Seite 17). An den Gleichstrom-Ausgang des Diodengleichrichters ist ein ohmscher Grundlastwiderstand angeschlossen (Betriebsanleitung Seite 19).
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Es ist im Stand der Technik ferner bekannt, die Verluste durch eine Vergrößerung des Grundlastwiderstandswerts zu verringern, weil die Verlustleistung umgekehrt proportional zum Widerstandswert ist. Dies hat den Nachteil, dass die Ausgangsspannung des Gleichrichters im Leerlauf deutlich höhere mittlere Spannungswerte aufweist, die knapp unter den zulässigen Normwerten liegen oder sie sogar überschreiten. Die Entladung des Kondensators erfolgt dabei deutlich langsamer, was nachteilig ist.
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Es ist weiterhin nicht möglich, die die zu einer Überladung der Kondensatoren führenden Überspannungen korrekt zu berechnen. Aus diesem Grund wird i.d.R. eine gewisse Reserve in der Auslegung des Bahnspeisegleichrichters notwendig, was den Bahnspeisegleichrichter verteuert. Ein weiterer Nachteil ist eine Erhöhung der Ausfallwahrscheinlichkeit durch eine vergleichsweise erhöhte Spannungsbelastung der Bauelemente.
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Für die Erfindung stellt sich ausgehend von dem bekannten Bahnspeisegleichrichter die technische Aufgabe, einen Bahnspeisegleichrichter bereit zu stellen, bei dem insbesondere im Leerlauf elektrische Verluste vergleichsweise verringert werden, was im Betrieb Kosten einspart sowie die elektrische Beanspruchung des Bahnspeisegleichrichters verringert und somit die Lebensdauer erhöht.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 15.
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Folglich wird der Grundlastwiderstand über die spannungsgesteuerte Schalteinrichtung aktiviert. Die Aktivierung des Grundlastwiderstandes erfolgt bei einem Ausgangsspannungslevel des Bahnspeisegleichrichters, der beispielsweise 5% unter dem zulässigen Normwert liegt, sodass nur bei Überspannungsspitzen der Grundlastwiderstand wirksam wird. Auf diese Weise werden die Nachteile des Standes der Technik überwunden, weil Verluste am Grundlastwiderstand nur auftreten, wenn der Grundlastwiderstand tatsächlich eingesetzt werden muss. Im regulären Gleichrichterbetrieb werden die an dem Grundlastwiderstand anfallenden Verluste auf fast Null reduziert.
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Im Leerlauf-, Schwachlast- und Nennbetrieb (nah zu 100% der Betriebszeit) bleibt der Grundlastwiderstand über die Schalteinrichtung abgeschaltet und verursacht keine Verluste. Im Leerlauf lädt sich der Kondensator auf den Scheitelwert der Drehspannung; anschließend entlädt er sich bis zum nächsten Scheitel der Drehspannung durch Selbstentladung so geringfügig, dass von einer konstanten Gleichspannung am Gleichrichterausgang mit einer Spannungswelligkeit von nahe 0% auszugehen ist.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Baugröße des Grundlastwiderstandes deutlich reduziert werden kann, da der Widerstand nur sporadisch und nicht permanent mit Verlusten beaufschlagt wird.
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Bahnspeisegleichrichter befinden sich fast 100% der Zeit im Betrieb und werden nur sporadisch für Wartungsarbeiten (z.B. für einen Tag pro Jahr) abgeschaltet. Es können je nach Bahnspeisegleichrichter beispielsweise Verluste von 300 W bis 600 W eingespart werden, was bei Einsatz der Erfindung zu einer Energieersparnis von 2,6 MWh bis 5,2 MWh jährlich führt und einer entsprechenden Kostenersparnis im Dauerbetrieb entspricht.
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In einer bevorzugten und vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bahnspeisegleichrichters ist ein zweiter gleichspannungsseitiger Schaltungszweig vorgesehen, der eine Spannungsmesseinrichtung für das Messen der gleichspannungsseitig anliegenden Gleichspannung aufweist und ausgangsseitig mit der spannungsgesteuerten Schalteinrichtung verbunden ist.
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In einer anderen bevorzugten und vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bahnspeisegleichrichters weist die Schalteinrichtung einen mechanischen Schalter auf. Dies ist ein Vorteil, weil mechanische Schalter besonders einfach aufgebaut sind.
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In einer weiteren bevorzugten und vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bahnspeisegleichrichters weist die Schalteinrichtung einen elektronischen Schalter auf. Dies ist vorteilhaft, weil elektronische Schalter vergleichsweise schnell zu schalten und vergleichsweise wartungsarm sind.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bahnspeisegleichrichters weist die Schalteinrichtung einen insulated-gate bipolar transistor (IGBT) auf. Ein IGBT kann in vorteilhafter Weise eingesetzt werden, weil es sich um ein weit verbreitetes Bauteil als Beispiel für einen elektronischen Schalter handelt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bahnspeisegleichrichters weist die Schalteinrichtung einen Spannungsteiler und eine Zenerdiode auf. Dies ist vorteilhaft, weil der Zündkreis eines elektronischen Schalters einfach aufgebaut ist.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bahnspeisegleichrichters ist die Schalteinrichtung mit einer spannungsabhängigen Steuerung versehen, die eine Hysterese aufweist. Dies ist ein Vorteil, weil auf diese Weise der Grundlastwiderstand nicht sofort wieder abgeschaltet wird, sobald die gemessene Gleichspannung den oberen Grenzwert wieder unterschreitet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bahnspeisegleichrichters die Schalteinrichtung eingerichtet ist, für eine vorbestimmte Zeitspanne den Grundlastwiderstand zuschalten. Auch hier ergibt sich der Vorteil, dass der Grundlastwiderstand nicht sofort wieder abgeschaltet wird, sobald die gemessene Gleichspannung den oberen Grenzwert wieder unterschreitet.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bahnspeisegleichrichters die Schalteinrichtung eingerichtet ist, den Grundlastwiderstand abzuschalten, wenn die Gleichspannung einen vorher festgelegten unteren Grenzwert erreicht. Dies ist ein Vorteil, weil auf diese Weise der Spannungsbereich, in dem der Grundlastwiderstand zugeschaltet wird, genau festgelegt werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bahnspeisegleichrichters ist der untere Grenzwert die Leerlaufspannung des Bahnspeisegleichrichters. Dies ist ein Vorteil, weil auf diese Weise keine Verluste im Grundlastwiderstand während eines Leerlaufs des Gleichrichters entstehen.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bahnspeisegleichrichters umfasst die Spannungsgleichrichteanordnung mindestens eine Drehstrombrückenschaltung. Dies ist ein Vorteil, weil Drehstrombrückenschaltungen für das Anschließen von mehrphasigen Wechselspannungsquellen geeignet sind.
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In einer weiteren bevorzugten und vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bahnspeisegleichrichters ist die Drehstrombrückenschaltung 6-pulsig ausgeführt.
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In einer anderen bevorzugten und vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bahnspeisegleichrichters ist die Drehstrombrückenschaltung 12-pulsig ausgeführt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bahnspeisegleichrichters weist die Drehstrombrückenschaltung in jedem Zweig mindestens eine Diode auf. Dies ist ein Vorteil, weil mittels der Dioden eine Wechselspannung gleichgerichtet wird.
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In einer anderen bevorzugten und vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bahnspeisegleichrichters ist der erste gleichspannungsseitige Schaltungszweig der Spannungsgleichrichteanordnung parallel geschaltet.
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In einer weiteren bevorzugten und vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bahnspeisegleichrichters sind im ersten gleichspannungsseitigen Schaltungszweig Kondensator und Spule in Reihe geschaltet.
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In einer anderen bevorzugten und vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bahnspeisegleichrichters ist der Grundlastwiderstand in einem weiteren gleichspannungsseitigen Schaltungszweig angeordnet.
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In einer weiteren bevorzugten und vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bahnspeisegleichrichters ist der Grundlastwiderstand dem Kondensator im ersten gleichspannungsseitigen Schaltungszweig parallel geschaltet.
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Weiterhin ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Bahnspeisegleichrichters bei dem erfindungsgemäß unter Berücksichtigung einer gleichspannungsseitig anliegenden Gleichspannung mittels der Schalteinrichtung der Grundlastwiderstand zugeschaltet wird, wodurch der Kondensator über den Grundlastwiderstand entladen wird, wenn die Gleichspannung einen vorher festgelegten oberen Grenzwert erreicht.
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Es ergeben sich für das erfindungsgemäße Verfahren sinngemäß die gleichen Vorteile wie eingangs für den erfindungsgemäßen Bahnspeisegleichrichter erläutert.
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Nachfolgend werden anhand von Figuren bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Bahnspeisegleichrichters beschrieben. Die Ausführungsbeispiele sind dabei so zu verstehen, dass einzelne Merkmale zwischen den verschiedenen Ausführungsbeispielen durchaus im Sinne der Erfindung neu kombiniert werden können.
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Dabei zeigen
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1 ein Beispiel für einen bekannten Bahnspeisegleichrichter und
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2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bahnspeisegleichrichters und
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bahnspeisegleichrichters und
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4 ein Beispiel für eine Spannung-Strom-Kennlinie eines erfindungsgemäßen Bahnspeisegleichrichters.
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Ein bekannter Bahnspeisegleichrichter 1 weist eine Spannungsgleichrichteanordnung 11 mit einer Wechselspannungsseite 25 und einer Gleichspannungsseite 26 auf. Drei Phasen L1, L2, L3 eines Drehstromnetzes sind mittels einer Drehstrombrückenschaltung in 6-pulsiger Ausführung am Bahnspeisegleichrichter 1 angeschlossen. Die Drehstrombrückenschaltung weist in jedem Zweig zwei Dioden V1–V6 auf. Auf der Gleichspannungsseite 26 ist der Spannungsgleichrichteanordnung 11 ein erster gleichspannungsseitiger Schaltungszweig 12 nachgeordnet, der in Reihenschaltung einen Kondensator C und einen Widerstand R1 aufweist. Dem ersten gleichspannungsseitigen Schaltungszweig 12 ist in einem zweiten gleichspannungsseitigen Schaltungszweig 13 ein Grundlastwiderstand RG nachgeschaltet. An dem Anschluss L+ und L– liegt eine Ausgangsgleichspannung an, die ins Bahnstromnetz gespeist wird.
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In der 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bahnspeisegleichrichters gezeigt, bei dem die gleichen Bauelemente wie in 1 mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Zusätzlich ist in 2 in einem dritten gleichspannungsseitigen Schaltungszweig 14 eine spannungsgesteuerte Schalteinrichtung 30 dem Grundlastwiderstand RG zugeordnet bzw. an die Gleichspannungsseite 26 angeschlossen. Diese ist geeignet, den Grundlastwiderstand RG zuzuschalten, wenn eine auf der Gleichspannungsseite 26 anliegende Gleichspannung U einen vorher festgelegten oberen Grenzwert erreicht. Hierfür umfasst die Schalteinrichtung 30 eine Spannungsmesseinrichtung 3, die über eine Verbindung 15 mit einem Schalter 4 kommuniziert. Der Schalter 4 ist als einfacher mechanischer Schalter ausgebildet.
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Der Kondensator C wird bei zugeschaltetem Grundlastwiderstand entladen, und die Gleichspannung U zwischen L+ und L– überschreitet den definierten zulässigen Wert nicht. Die spannungsabhängige Steuerung der Schalteinrichtung 30 ist mit einer Hysterese versehen, sodass die Schalteinrichtung 30 während des Abbaus der Gleichspannung U einige ms geschlossen bleibt.
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In der 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bahnspeisegleichrichters gezeigt, bei dem die gleichen Bauelemente wie in 1 mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Zusätzlich ist in 3 eine spannungsgesteuerte Schalteinrichtung 31 dem Grundlastwiderstand RG zugeordnet. Diese ist geeignet, den Grundlastwiderstand RG zuzuschalten, wenn eine auf der Gleichspannungsseite 26 anliegende Gleichspannung U einen vorher festgelegten oberen Grenzwert erreicht. Hierfür umfasst die Schalteinrichtung 31 in einem dritten gleichspannungsseitigen Schaltungszweig 14, einen Spannungsteiler 12, der die Widerstände R2, R3, R4 aufweist. An den Widerstand R4 ist eine Zenerdiode 16 mit Sperrrichtung zu R4 hin angeschlossen, die mittels des Anschlusses 18 mit dem Gate eines insulated-gate bipolar transistor (IGBT) 19 als elektronischem Schalter verbunden ist. Nicht alle Details der Ansteuerbaugruppe sind dargestellt.
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Auf diese Weise wird der Grundlastwiderstand RG zugeschaltet, wenn eine auf der Gleichspannungsseite – also zwischen L+ und L– – anliegende Gleichspannung U einen vorher festgelegten oberen Grenzwert erreicht.
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Die 4 zeigt ein Beispiel für eine Spannung-Strom-Kennlinie 25 eines erfindungsgemäßen Bahnspeisegleichrichters 2, 10 gemäß 2 oder 3. Die Achsen für Spannung und Strom sind mit U und I gekennzeichnet. Die Kennlinie 25 zeigt, dass mit steigendem Strom I – also steigender Last – die Spannung U am Gleichspannungsausgang linear vom Mittelwert der konventionellen Leerlaufspannung des Bahnspeisegleichrichters absinkt. Die Leerlaufspannung des Bahnspeisegleichrichters 2, 10 hat bei keiner Last einen Sinusscheitelwert 22. Steigt nun durch Überladung des Kondensators die Spannung U am Gleichspannungsausgang im Leerlauf immer weiter an, so erreicht sie den vorher festgelegten oberen Grenzwert 23, bei dem der Grundlastwiderstand zugeschaltet wird. Die Überspannung wird bis zum Erreichen der Leerlaufspannung 22 abgebaut und eine Überbeanspruchung des Bahnspeisegleichrichters vermieden, weil die Spannung nicht bis auf die Normgrenze 24 ansteigen kann.
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Dabei liegt der obere Grenzwert 23 beispielsweise bei 95% der Normgrenze 24.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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